鐵路混合梁斜拉橋動(dòng)靜載荷載試驗(yàn)研究

胡曉東，魏博豪，王 炎，陳 勇

（1.中鐵四局集團(tuán)有限公司，安徽 合肥 230041；2.浙江理工大學(xué)建筑工程學(xué)院，浙江 杭州 310000；3.上海市建筑科學(xué)研究院有限公司，上海市 200032）

0 引 言

甬江鐵路斜拉橋?qū)儆趯幉ㄨF路樞紐貨運(yùn)列車外環(huán)線的控制性工程，是國內(nèi)首座大跨度鐵路混合梁斜拉橋。該橋設(shè)置為雙線Ⅰ級電氣化鐵路，設(shè)計(jì)荷載選用中—活載，貨車最高運(yùn)行時(shí)速為120 km/h。甬江鐵路斜拉橋主橋?yàn)殍F路鋼-混混合梁斜拉橋，梁體全長為909.1 m，邊跨為4跨混凝土箱梁，孔跨按照（53+50+50+66）m布置，主跨為468 m鋼箱混合梁。甬江橋承受荷載大，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)復(fù)雜，施工難度較大。在主梁設(shè)計(jì)及施工過程中，缺乏可供參考的工程案例和數(shù)據(jù)資料。為確保成橋效果，眾多學(xué)者圍繞該橋展開進(jìn)行了許多研究工作[1-4]。

對于大跨度的混合梁斜拉橋，以往研究工作大多依據(jù)理論分析和模型試驗(yàn)展開。但事實(shí)上，由于此類橋梁橋體結(jié)構(gòu)受力復(fù)雜，施工技術(shù)含量高，需利用有限元軟件模擬各施工階段，根據(jù)理論數(shù)據(jù)制定動(dòng)靜載試驗(yàn)方案，對主橋進(jìn)行動(dòng)靜載試驗(yàn)，以此來評估橋梁在試驗(yàn)荷載作用下的工作狀態(tài)，檢驗(yàn)其是否符合國家標(biāo)準(zhǔn)和設(shè)計(jì)要求，為其他橋梁工程提供參考。

本文以甬江鐵路斜拉橋?yàn)槔榻B了基于MIDAS/CIVIL有限元模型，依照試驗(yàn)方案在各種設(shè)定工況下開展動(dòng)靜載的試驗(yàn)，總結(jié)歸納了此類大跨度鐵路斜拉橋動(dòng)靜載試驗(yàn)的經(jīng)驗(yàn)。

1 甬江橋整體有限元分析

為確保測試結(jié)果能更真實(shí)的反映所測橋體結(jié)構(gòu)的實(shí)際受力狀況以及承載力，如何在超大尺寸的橋體上恰當(dāng)?shù)淖龀鲞x擇，就需要依靠有限元分析軟件來實(shí)現(xiàn)[5-7]。

1.1 有限元模型的建立

采用MIDAS/CIVIL對主橋梁體、斜拉索、橋塔、橋墩及承臺等結(jié)構(gòu)進(jìn)行模擬，全橋共計(jì)999個(gè)單元。邊界條件設(shè)置時(shí)，邊跨縱梁在P1#—P4#、P7#—P10#墩處設(shè)置豎向支承，主梁與橋塔間橫系梁間采用彈性連接，橋梁結(jié)構(gòu)為半飄浮體系。橋墩與基礎(chǔ)采用固結(jié)方式。整橋有限元模型如圖1所示。

1.2 有限元模型靜力分析結(jié)果

基于設(shè)計(jì)資料，在有限元模型中對各施工階段進(jìn)行模擬，得到控制截面的彎矩影響線，如圖2、圖3所示，以及設(shè)計(jì)活載彎矩及位移包絡(luò)圖，如圖4、圖5所示。

圖3 主跨鋼混結(jié)合段截面彎矩影響線

圖4 主梁設(shè)計(jì)活載彎矩包絡(luò)圖（單位：kN·m）

圖5 主梁設(shè)計(jì)活載位移包絡(luò)圖（單位：m）

1.3 有限元模型自振分析結(jié)果

對主橋進(jìn)行動(dòng)力特性分析，得到自振特性分析結(jié)果，如表1所示，部分振型曲線如圖6、圖7所示。

表1 主橋自振特性分析結(jié)果

圖6 主梁一階豎彎振型圖（f=0.436 Hz）

圖7 主梁二階豎彎振型圖（f=0.553 Hz）

1.4 試驗(yàn)工況選取

結(jié)合橋梁的實(shí)際情況和有限元分析結(jié)果，選取若干截面作為試驗(yàn)控制截面，各截面布置如下圖8、圖9所示。

圖8 試驗(yàn)截面洪塘岸半跨布置圖（單位：m）

圖9 試驗(yàn)截面云龍岸半跨布置圖（單位：m）

2 試驗(yàn)方案

2.1 試驗(yàn)?zāi)康?/h3>

通過靜載試驗(yàn)，檢驗(yàn)橋梁結(jié)構(gòu)實(shí)際性能是否達(dá)到設(shè)計(jì)要求；判定橋梁能否保證貨運(yùn)列車安全運(yùn)行；檢驗(yàn)并判斷橋梁是否滿足設(shè)計(jì)及運(yùn)輸要求，為橋梁交工驗(yàn)收、提供技術(shù)依據(jù)。

2.2 初始狀態(tài)測試

正式試驗(yàn)前，需根據(jù)施工坐標(biāo)控制網(wǎng)對橋面布置的各測點(diǎn)進(jìn)行高程測量。測點(diǎn)應(yīng)沿橫橋向?qū)ΨQ布置。此外，還需對橋塔三維線形以及所有斜拉索索力進(jìn)行測試。

2.3 靜載試驗(yàn)

基于計(jì)算結(jié)果，確定靜載試驗(yàn)內(nèi)容如下：

（1）A-A～N-N工況下，對各加載試驗(yàn)截面進(jìn)行應(yīng)力測試；

（2）A-A～C-C、O-O工況下，選擇其中索力最大的3對斜拉索進(jìn)行索力增量測試；選擇主跨中加載車輛最多的工況，利用索力健康監(jiān)測系統(tǒng)對主跨索力進(jìn)行全測；

（3）橋塔塔頂縱向水平偏位測試；

（4）主跨箱梁八分點(diǎn)豎向撓度測試，其它試驗(yàn)跨箱梁四分點(diǎn)豎向撓度測試；

（5）支座、阻尼器位移測試；

（6）箱梁縱向位移及梁端轉(zhuǎn)角測試；

在進(jìn)行測點(diǎn)布置時(shí)，應(yīng)有針對性的進(jìn)行應(yīng)力測點(diǎn)、撓度測點(diǎn)、位移測點(diǎn)、轉(zhuǎn)角測點(diǎn)以及索力測點(diǎn)的布置。以梁體加載截面靜應(yīng)力測點(diǎn)為例，在A-A～E-E工況、G-G～N-N工況試驗(yàn)截面中，單個(gè)混凝土截面布置17個(gè)靜應(yīng)力測點(diǎn)，單個(gè)鋼箱梁截面布置20個(gè)靜應(yīng)力測點(diǎn)。梁體試驗(yàn)截面具體測點(diǎn)布置見圖10、圖11。

圖10 混凝土梁試驗(yàn)截面靜應(yīng)力測點(diǎn)布置圖（單位：cm）

圖11 鋼箱梁試驗(yàn)截面靜應(yīng)力測點(diǎn)布置圖（單位：cm）

靜載試驗(yàn)荷載[8]用列車充當(dāng)（機(jī)車為DF4型，車輛為C70貨車）。每一個(gè)檢驗(yàn)項(xiàng)目所需列車重量及編組，應(yīng)根據(jù)設(shè)計(jì)控制荷載產(chǎn)生的最不利效應(yīng)值按下式等效換算得到：

式中：η為靜力試驗(yàn)荷載效率；Sst為試驗(yàn)荷載作用下檢驗(yàn)項(xiàng)目計(jì)算效應(yīng)值（某檢驗(yàn)特定位置的變形、內(nèi)力或應(yīng)力值）；S為設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)荷載作用下的計(jì)算效應(yīng)值（不計(jì)動(dòng)力系數(shù)）；δ為動(dòng)力系數(shù)。

靜載試驗(yàn)荷載應(yīng)該根據(jù)靜載試驗(yàn)加載項(xiàng)目，對列車進(jìn)行相應(yīng)解編，來滿足各工況中最不利的加載情況。甬江橋各試驗(yàn)工況的荷載效率系數(shù)介于0.75～0.88之間。

2.4 動(dòng)載試驗(yàn)

基于計(jì)算結(jié)果，選取B-B、D-D、E-E、G-G、I-I截面來進(jìn)行動(dòng)載試驗(yàn)，具體試驗(yàn)內(nèi)容如下：

（1）脈動(dòng)試驗(yàn)

測定橋跨結(jié)構(gòu)的振型、臨界阻尼比和固有模態(tài)頻率。

（2）制動(dòng)試驗(yàn)

測定在車輛制動(dòng)荷載作用下橋跨結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，制動(dòng)速度為40 km/h、50 km/h、60 km/h、70 km/h。

（3）行車試驗(yàn)

測定橋跨結(jié)構(gòu)在行車荷載作用下的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，行車速度包括：5（標(biāo)定車速試驗(yàn)）、40 km/h、60 km/h、70 km/h、80 km/h。

在進(jìn)行測點(diǎn)布置時(shí)，應(yīng)有針對性的對動(dòng)撓度測點(diǎn)、動(dòng)應(yīng)變測點(diǎn)、加速度測點(diǎn)、橫向和豎向振幅測點(diǎn)以及主梁振型測點(diǎn)進(jìn)行布置。以動(dòng)撓度測點(diǎn)為例，應(yīng)在主跨跨中截面（B-B）橫向布置1個(gè)測點(diǎn)，具體測點(diǎn)布置見圖12。

圖12 動(dòng)撓度測點(diǎn)橫向布置圖（單位：cm）

主橋行車試驗(yàn)采用貨車單向行車。制動(dòng)試驗(yàn)和行車試驗(yàn)單列貨車由2DF4D+20C70（重車）+20C70（空車）編組組成。動(dòng)載試驗(yàn)包括行車試驗(yàn)和制動(dòng)試驗(yàn)，先進(jìn)行行車試驗(yàn)，然后進(jìn)行制動(dòng)試驗(yàn)。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析及比較

3.1 初始狀態(tài)線形測試結(jié)果分析

篇幅有限，表2、表3列出了部分試驗(yàn)數(shù)據(jù)以及計(jì)算結(jié)果?；趯?shí)測結(jié)果可知，各測試部位的橋面初始高程、偏位、橋塔初始線形、恒載索力值均與設(shè)計(jì)值符合較好。

表2 洪塘岸實(shí)測索力值與設(shè)計(jì)索力值對比

表3 洪塘岸索塔初始線形檢測結(jié)果

3.2 靜力試驗(yàn)結(jié)果分析

基于試驗(yàn)結(jié)果，得出各試驗(yàn)截面的撓度、應(yīng)力、塔頂水平偏位、阻尼器位移、梁端轉(zhuǎn)角、支座位移以及索力的實(shí)測值與計(jì)算值較符合。表4、表5列出了部分試驗(yàn)數(shù)據(jù)以及計(jì)算結(jié)果。

圖13 洪塘岸索塔實(shí)測線形與設(shè)計(jì)線形對比圖

表4 部分滿載加載試驗(yàn)撓度實(shí)測值與計(jì)算值比較

表5 部分試驗(yàn)截面應(yīng)力實(shí)測值與計(jì)算值比較

3.3 動(dòng)載試驗(yàn)結(jié)果分析

表6、表7為部分根據(jù)測試部位的實(shí)測加速度時(shí)程曲線分析得到的對應(yīng)加速度測試結(jié)果。由測試結(jié)果可以看出：甬江橋的主跨跨中處橋面橫、豎向加速度分別介于0.10~1.10 m/s2和0.34~1.11 m/s2之間；橋塔處的橋面橫、豎向加速度分別介于0.03~0.32 m/s2和0.12~0.95 m/s2之間；P6#墩的墩頂橫、縱向加速度分別介于0.01~0.15 m/s2和0.01~0.09 m/s2之間。

表6 部分試驗(yàn)截面行車實(shí)測振動(dòng)加速度 單位：m/s 2

表7 部分試驗(yàn)截面制動(dòng)實(shí)測振動(dòng)加速度 單位：m/s 2

根據(jù)《新建時(shí)速200公里客貨共線鐵路設(shè)計(jì)暫行規(guī)定》[9]（鐵建設(shè)函[2003]205號）第5.3.2條規(guī)定：“道砟橋面強(qiáng)震頻率不大于20 Hz的豎向振動(dòng)加速度a≤0.35g”。橋跨結(jié)構(gòu)實(shí)測豎向加速度最大值發(fā)生在行車速度為80 km/h時(shí)的主跨跨中處，其值為1.11 m/s2，小于規(guī)定，表明橋跨結(jié)構(gòu)的豎向動(dòng)力性能良好。根據(jù)《鐵路橋梁檢定規(guī)范》[10]10.0.5條第2項(xiàng)規(guī)定：“橋跨結(jié)構(gòu)在荷載平面的橫向振動(dòng)加速度a不應(yīng)超過1.4 m/s2”。橋跨結(jié)構(gòu)實(shí)測橫向加速度最大值發(fā)生在制動(dòng)速度為70 km/h時(shí)的主跨跨中處，其值為1.10 m/s2，小于規(guī)定，表明橋跨結(jié)構(gòu)的橫向動(dòng)力性能良好。

表8~表11為根據(jù)脫軌系數(shù)和減載率實(shí)測時(shí)程曲線圖得到的橋跨結(jié)構(gòu)脫軌系數(shù)及減載率測試結(jié)果。

表8 甬江特大橋行車脫軌系數(shù)實(shí)測值

表11 甬江特大橋制動(dòng)減載率實(shí)測值

表9 甬江特大橋制動(dòng)脫軌系數(shù)實(shí)測值

表10 甬江特大橋行車減載率實(shí)測值

分析測試結(jié)果可得：橋跨結(jié)構(gòu)的行車減載率介于0.08~0.39，制動(dòng)減載率介于0.03~0.16；行車脫軌系數(shù)介于0.24~0.55，制動(dòng)脫軌系數(shù)介于0.07~0.27。

根據(jù)規(guī)范《鐵道車輛動(dòng)力學(xué)性能評定和試驗(yàn)鑒定規(guī)范》[11]（GB 5599—85）第3.3.3.1條規(guī)定，減載率的限值為0.60。行車速度為80 km/h時(shí)，橋跨結(jié)構(gòu)的最大減載率為0.39，小于規(guī)定值，滿足要求。根據(jù)規(guī)范《鐵道機(jī)車動(dòng)力學(xué)性能試驗(yàn)鑒定方法及評定標(biāo)準(zhǔn)》[12]（TB/T 2360—93）第2.2.2.1條規(guī)定，當(dāng)最大脫軌系數(shù)小于等于0.6時(shí)，評定等級為優(yōu)良。行車速度為80 km/h時(shí)，橋跨結(jié)構(gòu)的最大脫軌系數(shù)為0.55，小于規(guī)定值，等級為優(yōu)良。

4 結(jié)論

（1）甬江橋的橋面初始高程、恒載索力、橋塔初始線形與設(shè)計(jì)值符合較好。

（2）甬江橋的主橋橋跨結(jié)構(gòu)具有足夠的強(qiáng)度和剛度，滿足設(shè)計(jì)荷載，即雙線“中—活載”的要求。

（3）甬江橋的設(shè)計(jì)以及施工質(zhì)量良好。橋跨結(jié)構(gòu)的橫向振幅、脫軌系數(shù)以及加速度等均滿足規(guī)范要求。